数控技术及应用

数控技术及应用1第1页，共70页，2023年，2月20日，星期六一、数控机床的主要组成部分及其结构简介2第2页，共70页，2023年，2月20日，星期六（一）数控机床的主要组成部分1、主传动系统及主轴组件——用来产生切削运动。2、进给传动系统——用来产生工件或刀具的进给运动，并实现定位。3、基础件——床身、立柱、滑座、工作台等。4、其他辅助装置——液压、气动、润滑、切削液、排屑等系统装置。5、对于加工中心，还有自动交换刀具结构。3第3页，共70页，2023年，2月20日，星期六加工中心（MachiningCenter）

是在数控铣床的基础上增加了刀具自动交装置或分度工作台。是一种特殊的数控机床。⑴工件一次装夹可以自动完成镗、铣、钻、扩、铰、攻丝等多工序、多工位的加工。实现了工序集中。⑵减少了装夹次数，减少了定位误差，提高了效率。

加工中心分立式、卧式和五面体加工中心。目前的加工中心主要是以镗、铣、钻复合为主。4第4页，共70页，2023年，2月20日，星期六5第5页，共70页，2023年，2月20日，星期六（二）主传动系统及主轴部件结构特点1、主电机2、主轴组件3、拉刀机构4、松刀机构调速特点1、定比传动。2、通过电机调速。3、通过改变电机与主轴的中心距，可以胀紧皮带。6第6页，共70页，2023年，2月20日，星期六（三）进给传动系统特点:1、数控机床以坐标轴为控制单位。7第7页，共70页，2023年，2月20日，星期六2、每个坐标轴都有一套伺服驱动系统。8第8页，共70页，2023年，2月20日，星期六3、机械传动装置：都是始于伺服电机的轴端，止于机床的执行部件。开环系统：

9第9页，共70页，2023年，2月20日，星期六闭环系统：10第10页，共70页，2023年，2月20日，星期六半闭环系统：11第11页，共70页，2023年，2月20日，星期六4、机械传动结构主要组成部分：

对于直线运动：齿轮副、联轴器、滚珠丝杠螺母副、丝杠支承、导轨副

对于回转工作台：还有蜗杆、蜗轮副。12第12页，共70页，2023年，2月20日，星期六滚珠丝杠螺母副13第13页，共70页，2023年，2月20日，星期六5、组成机械传动系统的各元件均有刚度、精度、摩擦阻尼特性的要求。这些将直接影响机床执行部件的定位精度。14第14页，共70页，2023年，2月20日，星期六滚珠丝杠螺母副

——是把回转运动转换为直线运动的传动装置。15第15页，共70页，2023年，2月20日，星期六1、工作原理●在丝杠、螺母上加工有弧形螺旋槽。●当把它们套装在一起时形成螺旋滚道，在滚道内添满滚珠。●当丝杠相对于螺母旋转时，螺旋滚道沿轴向移动，滚珠则在螺旋滚道螺旋面的挤压下沿着滚道运动，使丝杠的螺母产生相对丝杠的轴向位移。16第16页，共70页，2023年，2月20日，星期六2、滚珠丝杠螺母副特点①传动效率高●基本上是滚动摩擦。●传动效率可达92%～98%，是普通丝杠传动的2～4倍。②灵敏度高●是滚动摩擦，并且动、静摩擦系数相差不大。传动灵敏，运动平稳。●低速不易产生爬行。跟随精度和定位精度比较高。17第17页，共70页，2023年，2月20日，星期六③使用寿命长●材料选用优质合金钢，滚道表面淬火，硬度可以达到HRC60～62。●表面粗糙度值小，因为是滚动摩擦，故磨损很小。④预紧后，可以进一步提高轴向刚度和精度●因为经过预紧后，可以消除丝杠和螺母之间的轴向间隙，进一步预紧后，可以提高滚珠丝杠副的刚度。●反向运动时，无空行程，从而提高滚珠丝杠副的轴向运动精度。18第18页，共70页，2023年，2月20日，星期六鉴于上述优点，滚珠丝杠广泛使用在中、小型数控机床的进给系统中。滚珠丝杠副的缺点①制造成本高②不能自锁。当用于垂直安装时，必须要具有制动装置。19第19页，共70页，2023年，2月20日，星期六3、分类按照滚珠返回方式的不同，滚珠丝杠可以分为两种方式。

外循环方式内循环方式

20第20页，共70页，2023年，2月20日，星期六①外循环方式——返回的滚珠与丝杠外圆不接触。用回珠器将螺旋滚道的两端连接起来，回珠器在螺旋滚道的两端能起到挡珠的作用。优点：结构简单，容易制造，应用广泛。缺点：丝杠螺母径向尺寸较大。刚性差，易磨损，噪音大。

21第21页，共70页，2023年，2月20日，星期六②内循环方式——采用反向器将滚珠返回。优点：●螺母径向尺寸小，结构紧凑。●反向器在螺母中的定位可靠，刚性好，不易磨损。●由于返回滚道短，不易发生滚珠堵塞。缺点：结构复杂，制造困难。22第22页，共70页，2023年，2月20日，星期六4、滚珠丝杠的制动●滚珠丝杠不能自锁。●当用于垂直位置或水平大惯量高速传动时，必须有制动装置。●常用措施：①电磁离合器②超越离合器③有制动装置的伺服电机。举例：电磁离合器制动23第23页，共70页，2023年，2月20日，星期六5、滚珠丝杠的间隙与调整：①滚珠丝杠的间隙

——是指丝杠与螺母之间无相对转动时，丝杠与螺母间的最大轴向窜动量，是轴向间隙。

该间隙是由两部分组成：●结构本身存在的游隙。●施加轴向载荷后产生弹性变形而造成的轴向窜动量。24第24页，共70页，2023年，2月20日，星期六②滚珠丝杠的预紧●预紧的目的——是通过预紧措施来消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，以达到提高轴向刚度和传动精度的目的。●对于双螺母滚珠丝杠，预紧方式有三种：

双螺母螺纹调隙预紧方式双螺母垫片调隙预紧方式双螺母齿差式调隙预紧方式25第25页，共70页，2023年，2月20日，星期六第一种，双螺母螺纹调隙结构（如图所示）●用键限制丝杠螺母在螺母座(套筒)内转动。●调整时，首先松开锁紧螺母，转动圆螺母，可将螺母与丝杠间的间隙消除。●全部间隙消除后，如果继续转动圆螺母,可提高刚度并实现预紧。●最后将锁紧螺母拧紧。26第26页，共70页，2023年，2月20日，星期六第二种：双螺母垫片调隙结构（如图所示）通过调整垫片的厚度来使左右两个丝杠螺母产生轴向位移，即可达到消除间隙的目的并进行预紧。27第27页，共70页，2023年，2月20日，星期六第三种：双螺母齿差式调隙结构（如图所示）●在两个丝杠螺母的凸缘上各制成有一个圆柱齿轮，两个齿轮的齿数只相差一个齿，即Z2－Z1=1。●再制作两个内齿圈，其齿数与外齿数分别相同，并用螺钉和销子固定在螺母座的两端。

28第28页，共70页，2023年，2月20日，星期六间隙消除量可用下式来计算：当两个螺母向同一方向各转过n个齿数时，则这两个螺母在轴向的相对移动量为S：S＝（1/Z1－1/Z2）nt式中：S——两螺母在轴向的相对位移量n——两螺母在同一方向转过的齿数t——丝杠的导程Z1、Z2——齿轮的齿数29第29页，共70页，2023年，2月20日，星期六举例：已知：Z1＝99，Z2＝100，t＝10mm，当两个螺母沿同一方向各转过1个齿数时,求两螺母在轴向的相对位移量S：S＝（1/99－1/100）×10

＝1μm即可以使两螺母在轴向的相对位移量为1μm。

由此可见，其精度之高。30第30页，共70页，2023年，2月20日，星期六三种调隙方法比较：①双螺母螺纹调隙法、双螺母垫片调隙法，结构简单，调整方便，但调整精度低。②双螺母齿差式调隙法，结构复杂，但调整精度高。

三种调隙方法的实质：都是设法使两个丝杠螺母在丝杠轴上产生轴向相对移动，使两个丝杠螺母之间的轴向距离发生变化，从而消除丝杠与螺母之间的间隙。31第31页，共70页，2023年，2月20日，星期六6、滚珠丝杠的三种支承方式：⑴固定——自由●适用于短丝杠或垂直安装的丝杠。⑵固定——支承●丝杠螺母与两支承同轴要求高。●适用于长丝杠或水平安装的丝杠。⑶固定——固定●丝杠螺母与两支承同轴要求高。●可以对丝杠进行预拉伸。●适用于长丝杠和轴向刚度要求高的场合。32第32页，共70页，2023年，2月20日，星期六7、滚珠丝杠螺母副的主要技术参数①公称直径d0——是指钢球的直径。●它根据承受的载荷和刚度要求来选取。●d0愈大，丝杠的承载能力和刚度愈大。●为了满足刚度和稳定性的要求，d0应大于丝杠长度的1/30。33第33页，共70页，2023年，2月20日，星期六②导程L0——主要根据机床传动要求，位移精度来确定。●当位移精度要求高时，L0应取得小一些。这样在一定的轴向力作用下，丝杠上的摩擦阻力矩较小。●当d0一定时，L0减小，螺旋升角随之减小，使传动效率降低。●当L0减小时，d0相应减小，会使丝杠的承载能力降低。●一般来讲：在满足机床传动要求、位移精度的前提下，L0应尽量取大。34第34页，共70页，2023年，2月20日，星期六③滚珠的工作圈数j和列数k——●增加滚珠的工作圈数j和列数k，可以提高承载能力和刚度。●在负载和刚度一定的前提下，选用较多的工作圈数j和列数k，可以减小丝杠直径，从而减小惯量，提高进给速度。35第35页，共70页，2023年，2月20日，星期六8、滚珠丝杠螺母副的精度（1）滚珠丝杠的精度等级●国家标准GB/T17587.3—1998将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副（P型）和传动滚珠丝杠副（T型）两大类。●滚珠丝杠的精度等级共分七个等级，即1、2、3、4、5、7、10级，1级精度最高，依此降低。36第36页，共70页，2023年，2月20日，星期六（2）滚珠丝杠副的精度指标①2π行程内允许的行程变动量V2πp；②300mm行程内允许的行程变动量V300p；③有效行程Lu内允许的行程变动量Vup；④目标行程公差ep；⑤有效行程Lu内补偿值C。滚珠丝杠副各项精度指标的关系如图所示。37第37页，共70页，2023年，2月20日，星期六9、滚珠丝杠的选定选择滚珠丝杠的原则：①根据滚珠丝杠的定位精度来选择滚珠丝杠的精度。②根据载荷的大小来选定丝杠的直径。③对丝杠的扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命进行必要的验算。

38第38页，共70页，2023年，2月20日，星期六（1）机床定位精度要求与滚珠丝杠的丝杠精度机床定位精度——●该精度反映了数控机床的制造精度要求，是标准规定的。●一般来讲，影响机床定位精度的主要因素有：①进给传动链的间隙②滚珠丝杠支承系统的轴向刚度③滚珠丝杠自身的精度，如：螺距误差、热伸长等。39第39页，共70页，2023年，2月20日，星期六滚珠丝杠自身的精度——是指滚珠丝杠的螺距误差和热伸长。它们对机床定位精度的影响最明显。①螺距误差●是在滚珠丝杠制造中产生的误差。为了减小螺距误差，在设计时应尽量提高滚珠丝杠的精度等级。●一般来讲，滚珠丝杠的精度等级：

P（5、7级）——普通级，适用于普通机床。B（4级）——标准级，适用于一般数控机床。J（2、3级）——精密级，用于精密机床、普通数控机床、加工中心。C（1级）——超精密级，用于精密机床、精密数控机床、精密加工中心。

40第40页，共70页，2023年，2月20日，星期六②热伸长滚珠丝杠在运转过程中，不可避免的要产生热伸长。它将直接影响机床的定位精度。滚珠丝杠温升引起的变形量ΔL可用下式计算：ΔL＝αLΔt式中：α——滚珠丝杠的膨胀系数，α＝1.1×10-5/℃L——滚珠丝杠的长度Δt——滚珠丝杠与床身之适应间的温差（即：丝杠的温升），一般取Δt＝2～3℃

41第41页，共70页，2023年，2月20日，星期六●选择滚珠丝杠的精度时，要使滚珠丝杠的精度与机床的定位精度要求相适应。●选择滚珠丝杠的预拉伸支承方式来消除滚珠丝杠因热变形引起的定位误差。42第42页，共70页，2023年，2月20日，星期六10、滚珠丝杠螺母副的计算主要是对强度、刚度和稳定性的计算。（1）疲劳强度的计算（最大动负荷计算）43第43页，共70页，2023年，2月20日，星期六（2）静态强度计算（最大静负荷Ca计算）当滚珠丝杠在静态或低速（n<10r/min)情况下工作时，其破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形。当塑性变形超过一定限度后，就会破坏滚珠丝杠的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载即称为允许的最大静负荷C044第44页，共70页，2023年，2月20日，星期六（4）稳定性验算（计算失稳的临界负载）主要是对已确定尺寸的丝杠，在给定的支称条件下，承受最大轴向载荷时，验算其有无产生纵向弯曲（失稳）的危险。也称压杆不稳定。45第45页，共70页，2023年，2月20日，星期六（三）伺服电机与丝杠间的连接结构一般有两种结构——齿轮和联轴器1、齿轮传动（同步带传动）——常用在丝杠与电机轴不能同轴的场合。例如：①进给系统需要降速或需要增大扭矩时。②为了匹配不同的丝杠螺距或不同的脉冲当量时。齿轮传动存在的主要问题——是如何消除侧隙。产生侧隙的原因：①齿轮中心距的误差②齿轮本身的齿形误差

46第46页，共70页，2023年，2月20日，星期六消除齿轮间隙的主要方法：齿轮副之间的间隙——采用错位法。将齿轮分成两片，通过两片齿轮的错位，来消除间隙。齿轮与传动轴间的间隙——采用双键。47第47页，共70页，2023年，2月20日，星期六2、同步带传动同步带传动是通过同步带的齿形与两个带轮上的轮齿依次啮合来传递运动和动力，属于靠啮合传动的挠性传动。48第48页，共70页，2023年，2月20日，星期六优点：①由于靠啮合传动，故传动比准确，传动精度较高。②由于不靠摩擦传动，故小带轮的包角和直径均可以小些。可以获得较大的降速比（单级传动可以达到10）。③不需要特别涨紧，故作用在轴和轴承上的载荷（径向载荷）均较小，传动效率较高（η=0.95～0.98)。④由于同步带是经过特殊制造的,故强度高、厚度小、质量轻，可用于高速传动。缺点：制造复杂，安装精度要求较高。因而成本高49第49页，共70页，2023年，2月20日，星期六50第50页，共70页，2023年，2月20日，星期六3、联轴器传动用在电机轴与丝杠轴同心的场合。是目前广泛采用的方式。广泛采用联轴器的原因：①电机本身的技术进步。如：大惯量伺服电机，具有较大的调速范围、额定力矩、加速力矩。使电机与丝杠直连成为可能。②人们对数控机床的定位精度要求越来越高。电机与丝杠直连有利于缩短传动链，可以减少机械传动链的传动误差。51第51页，共70页，2023年，2月20日，星期六（1）刚性联轴器52第52页，共70页，2023年，2月20日，星期六（2）消隙联轴器53第53页，共70页，2023年，2月20日，星期六（3）挠性联轴器54第54页，共70页，2023年，2月20日，星期六（四）进给伺服系统的机械传动结构举例X轴55第55页，共70页，2023年，2月20日，星期六Y轴56第56页，共70页，2023年，2月20日，星期六Z轴57第57页，共70页，2023年，2月20日，星期六58第58页，共70页，2023年，2月20日，星期六59第59页，共70页，2023年，2月20日，星期六（五）导轨导轨是机床进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，机床的加工精度和使用寿命在很大程度上取决于机床导轨的质量。

数控机床对导轨的要求：①具有足够的刚性。即要求导轨高速时不振动。②具有较高的灵敏度。也就是要求导轨的动、静摩擦系数的差值要小。即要求导轨低速时不爬行。③能在重载下长期连续工作，耐磨性高，精度保持性好。目前在数控机床上普遍使用的导轨类型：①滑动导轨②滚动导轨③静压导轨60第60页，共70页，2023年，2月20日，星期六1、滑动导轨（1）滑动导轨的截面类型矩形导轨M面——承载N面——导向J面——用来承受颠覆力矩。三角形导轨M、N面——承载、导向J面——用来承受颠覆力矩。燕尾导轨M面——用来导向、承受颠覆力矩J面——承载61第61页，共70页，2023年，2月20日，星期六（2）滑动导轨的组合形式①双三角导轨导轨面同时起支承和导向作用。磨损后可以自动补偿，导向精度高。适用于精度要求高的机床，如坐标镗床、丝杠车床。②双矩形导轨易加工制造、承载能力大、但导向精度差。常用于普通精度的机床。③三角形-平导轨组合导轨精度高，加工装配较方便，通常用于磨床、精密镗床。④三角形-矩形导轨组合三角导轨作主要导向面。矩形导轨面承载能力大，易加工制造，刚度高，应用普遍。常作为卧式车床的导轨，⑤平-平-矩形导轨组合三角形导轨主要起导向作用，平导轨主要起承载作用。用于大型机床。62第62页，共70页，2023年，2月20日，星期六（3）贴塑导轨结构特点

①属于滑动摩擦导轨。摩擦方式是金属对塑料。②在导轨的一个滑动面上贴有一层塑料抗磨软带，导轨的另一个滑动面为铸铁淬火磨削面。③软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物的高分子材料，其产品为板材，厚度为1.2、1.5、1.7、2，宽度为150、300。④配有定时润滑系统，定时给导轨面润滑。⑤聚四氟乙烯摩擦系数为0.04～0.06，导轨快速可以达到30m/min，刚性高，动、静摩擦系数的差值小，无爬行。63第63页，共70页，2023年，2月20日，星期六粘接要求：①塑料软带应粘贴在导轨副的短导轨面上，圆形导轨应贴在下导轨面上。②粘接软带的导轨面，通常加工成0.5～1深的凹槽，在粘接时，对软带起定位作用。③粘接面稍为粗糙一点为好，一般为R12.5～6.3。64第64页，共70页，2023年，2月20日，星期六粘接工艺及步骤①粘接前，应对软带和导轨粘接面认真清洗。清洗剂为丙酮，三氧乙烯和全氯乙烯。不能采用酒精或汽油，然后用干净的擦布擦干。②用配套的粘接剂粘接。涂胶时应注意抹胶的方向：被粘导轨面应纵向涂抹。塑料软带上应横向涂抹。③粘接时，从一端向另一端缓慢挤压，以赶走汽泡。粘接后，在导轨面上施加一定的压力加以固化。时间为24小时以上（室温下）。④粘接好以后，进行刮研、研磨和开油槽。65第65页，共70页，2023年，2月20日，星期六（4）调整间隙结构压板调整镶条调整66第66页，共70页，2023年，2月20日，星期六2、滚动导轨（1）概述滚动导轨是在